专利名称：介质层的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种介质层的形成方法。
技术背景随着半导体工艺线宽的日益减小，铜和低介电常数材料被用作后段互连 材料和绝缘材料，并且引入叹镶嵌工艺来克服铜难以刻蚀的困难。在专利申请号为0228694.9的中国专利中，公开了一种双镶嵌工艺，其制造工艺为首先 沉积第一介质层作为刻蚀停止层，在所述第一介质层上形成第二介质层，在 所述第二介质层上依次形成覆盖层和掩膜层，通过一系列的光刻刻蚀工艺在 所述第二介质层上形成沟槽和连接孔。通过刻蚀将所述连接孔底部的第一介 质层材料去除，在所述沟槽和连接孔中填充金属铜即形成铜互连层。在90nm及以下工艺节点一般用黑钻石(Black Diamond, BD)等低介电 常数的材料作为第二介质层材料，以掺氮的碳化硅(Nitrogen doped SIC,NDC ) 作为第 一介质层材料。图1为现有一种形成材料为NDC的第 一介质层的工艺流 程图。如图l所示将一半导体基底送入工艺腔，打开射频源,并通入氨气形成氨 气等离子体，通过氨气等离于体对所述基底表面进行预处理(S100);接着，向腔室通入氦气形成氦气等离子体对所述基底表面进行预处理(sno);然后，向反应腔室中通入三甲基甲硅烷基(TMS)和氨气，所述TMS和氨气 反应生成碳化硅膜层，部分氮气被束縛在所述碳化硅膜层中形成含氮的碳化 硅(S120 );完成沉积后，停止向工艺腔供应TMS和氨气，通过泵浦装置将反应的副 产物抽走(S130)。在上述第一介质层形成过程中，氨气等离子预处理过程去除了铜表面的 氧化铜，使铜表面露出；接着进行氦气等离子体进行表面预处理，氦气等离 子体环境具有较高的温度，高能射频能量作用下的氦气等离子体直接作用在 铜表面，破坏了铜表面的化学键，且可能在铜表面产生空洞；导致形成器件 后在铜导线表面的电流过大，电迁移(electromigration， EM)过大，部分铜
会扩散到第 一介质层中，破坏了铜与后续形成的第 一介质层的交界面的特性，减小了形成的器件的寿命，降低了器件的可靠性。发明内容因此，本发明的目的在于提供一种介质层的形成方法.，以解决现有介质 层形成过程中造成下层金属表面电迁移过大的问题。为达到上述目的，本发明提供的一种介质层的形成方法，包括提供一 半导体基底，在所述半导体基底中形成有金属层；对所述半导体基底表面进 行氨气等离子体表面预处理:，在所述半导体基底表面沉积介质层。所述金属层材质包括铜，铝、鵠、钛、钽、钴、金、银中的一种或其组。所述氨气的流量为800至1200sccm。所述氨气等离子体环境射频源功率为300至1000瓦。所述氨气等离子体环境的压力为3至6托，温度为100至1000度。所述氨气等离子体表面预处理的时间为10至30秒。所述沉积包括物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉 积、高密度等离子体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。所述沉积介质层的反应气体为三曱基曱硅烷基、氨气、硅烷、TE0S、臭 氧、二氯二氢硅、氧化二氮.氮气、氧气中的一种或其组合。所述沉积介质层的温度为100至1000度，压力为2至8托，射频源功率 为400 ~ 1500瓦。相应的，本发明还提供一种介质层的形成方法，包括提供一半导体基 底，在所述半导体基底中形成有金属层；对所述半导体基底表面进行氨气等 离子体表面预处理并原位在所述半导体基底表面沉积介质层。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明方法在对半导体基底进行氨气等离子体表面预处理之后无需用氦 等离子体进行表面处理，直接进行介质层材料的沉积。这避免了氦气等离子 体气体对半导体基底中的金属表面的损伤和破还，从而避免了引起金属层表 面电流过大的问题，延长了器件的寿命提高了器件的稳定性。
图1为现有 一种形成材料为NDC的第 一介质层的工艺流程图2为本发明介质层的制造方法流程图3至图5为根据本发明实施例的介质层的形成方法剖面示意图6为本发明形成介质层的方法应用于双镶嵌结构制造工艺的流程图7至图18为本发明形成介质层的方法应用于双镶嵌结构制造工艺的剖
面示意图。
具体实施例方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 对本发明的具体实施方式
做详细的说明。
图2为本发明介质层的制造方法流程图。
如图2所示，首先提供一半导体基底。在所述基底中形成有金属层(S200 )。 所述金属层材质包括铜、铝、镇、钛、钽、钴、金、银中的一种或其组合。接着，对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面预处理(S210)。将 所述半导体基底送入工艺腔，在腔室中通入氨气，调节腔室温度及射频源功 率，使所述氨气电离，生成氨气等离子体。氨气等离子体在电场的作用下对 基底表面进行轰击。上述过程中，所述氨气等离子体射频源功率为300至1000 瓦，氨气的流量为800至1200sccm。氨气等离子体表面预处理的的时间为10 至30s，所述工艺腔的真空度为3至6托。
完成对所述半导体基底进行氨气等离子体表面预处理后，在所述半导体 基底上沉积介质层(S220 )。沉积的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积、 等离子体辅助化学气相沉积、.高密度等离子体化学气相沉积、原子层沉积中 的一种。生成的介质层可以是氧化硅、碳化硅、氮化硅、碳硅氧化合物、掺 氮碳化硅中的 一种或其组合:，
由于在半导体基底表面具有金属层，对半导体基底表面进行氦气等离子 体表面处理会破坏金属层的表面材质，造成金属层表面电迁移过大，影响形 成的器件的寿命及稳定性。本发明在具有金属层的半导体基底上形成介质层 时，只对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面处理，而不进行氦气等 离子体表面处理，从而避免了对金属层表面的破坏。
图3至图5为根据本发明实施例的介质层的形成方法剖面示意图。
如图3所示，首先提供--具有金属层202的半导体基底200。所述金属层202的上表面露出，所述金属层202材质可以是铜、铅、鵠、钛、钽、钴、金、 银中的一种或其组合。由于曝露于空气中，金属层202表面由于自然氧化会 生成一薄层金属氧化物。如图4所示，对所述具有金属层202的半导体基底200进行氨气等离子 体表面预处理。将所述半导体基底200送入真空的工艺腔，向腔室中通入氨 气，调节腔室温度及射频源功率，使所述氨气电离，生成氨气等离子体。氨 气等离子体在电场的作用下对半导体基底200表面进行轰击。高能的氨气等 离子体轰击到金属层表面可打破金属氧化物中金属和氧之间的化学键，将所 述金属氧化物层除去，使底层的金属表面露出。同时通过氨气等离子体表面 预处理也可以将半导体基底200表面由于曝露于外部环境而吸收的污染物、 水气去除，有利于半导体基底200表面和后续工艺中沉积的其它膜层之间的 粘附。上述过程中，所述氨气等离子体射频源功率为300至1000瓦，氨气的 流量为800至1200sccm。氨气等离子体表面预处理的时间为10至30s,所述 工艺腔的真空度(即等离子体环境的压力)为3至6托。如图5所示，在所述半导体基底200表面上沉积介质层206。所述沉积包 括物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、高密度等离 子体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。沉积介质层206的反应气体包括 TMS、氨气、硅烷、TEOS、臭氧、二氯二氩硅、氧化二氮、氮气、氧气中的一 种或其组合。所述沉积的介质层206厚度为300至800埃。所述介质层206的沉积可以和前述氨气等离子体表面预处理在同一个腔 室中进行，即完成氨气等离子体表面预处理后可原位(in situ)沉积介质层 206。以所述介质层206为#^氮碳化硅(NDC)为例，当所述半导体基底200 完成氨气等离子体表面处理后，停止向工艺腔供给用于氨气等离子体表面处 理的氨气，向工艺腔中通入生成介质层NDC的反应气体例如氨气和三曱基曱 硅烷基(TMS)，同时调节射频源能量和腔室温度，使得反应气体的化学键打破 并重新组合成碳化硅附着在半导体基底200表面。上述过程中，所述TMS的 流量为300至400sccm，所述氨气的流量为600至800sccm,反应室温度可以 为100至IOO(TC，压力为2至8托，本实施例中温度为350°C，压力为3. 7 托，射频源功率为400至1500W，反应时间约为10至30秒。所述氨气等离子体表面预处理和原位沉积介质层206过程的详细步骤如 下打开腔室，将所述半导体基底200送入工艺腔，调节腔室温度为350°C， 环境的压力为3至6托；对所述半导体基底200进行氨气等离子体表面预处 理调节射频源功率为300至1000瓦，温度为100至1000度，向工艺腔中 通入氨气，氨气的流量为800至1200sccm，保持环境的压力为3至6托，氨 气等离子体表面处理的时间为10至30秒；减小氨气流量至30至60sccm，调 节射频源功率为800W+/-1Q0W;向反应腔室中通入TMS和氨气，TMS的流量 为300至400sccm，氨气的流量为600至800sccm,保持腔室温度，提高射频 源功率为400至1500W，所述TMS和氨气反应生成碳化硅，部分氮气被束縛在 所述碳化硅膜层中形成含氮的碳化硅，氮气有助于抑止所述氮化硅膜层中载 流子迁移，增加介电常数，减小漏电流；完成沉积后，停止向工艺腔供应TMS 和氨气，通过真空泵装置将反应的副产物抽走。本发明形成介质层的方法可用于双镶嵌结构制造工艺中。 图6为本发明形成介质层的方法应用于双镶嵌结构制造工艺的流程图。 首先提供一半导体基底。在所述半导体基底中形成有金属层(S300)。所 述金属层材质包括铜、铅、钨、钛、钽、钴、金、银中的一种或其组合。 接着，对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面预处理(S310)。将所述半导体基底送入工艺腔，在腔室中通入氨气，调节腔室温度及射频源功 率，使所述氨气电离，生成氨气等离子体。氨气等离子体在电场的作用下对 半导体基底表面进行轰击。上述过程中，所述氨气等离子体射频源功率为300 至1 000瓦，氨气的流量为8()0至1200sccm。氨气等离子体表面预处理的的时 间为10至30s,所述工艺腔的真空度为3至6托。完成对所述半导体基底进行氨气等离子体表面预处理后，在所述半导体 基底上沉积第一介质层(S320 )。沉积的方法包括物理气相沉积、化学气相沉 积、等离子体辅助化学气相沉积、高密度等离子体化学气相沉积、原子层沉 积中的一种。生成的第一介质层可以是氧化硅、碳化硅、氮化硅、碳硅氧化 合物、掺氮碳化硅中的一种或其组合。在所述第一介质层上形成第二介质层(S330 )。其沉积方式为物理气相沉 积或化学气相沉积。所述第二介质层为黑钻石(black diamond )、氟硅玻璃、 磷硅玻璃、硼珪玻璃、硼磷硅玻璃、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种或其 组合。
通过光刻和刻蚀工艺在所述第二介质层中形成连接孔和/或沟槽(S34 0 )。 在所述连接孔和沟槽中填充金属材料。下面结合实施例对本发明形成介质层的方法应用于双镶嵌结构制造工艺iiffi手乡田4翁ii。图7至图18为本发明形成介质层的方法应用于双镶嵌结构制造工艺的剖面示意图。如图7所示，首先提供一具有金属层302的半导体基底300。所述金属层 302的上表面露出，所述金属层302材质可以是铜、铝、鴒、钛、钽、钴、金、 银中的一种或其组合。由于曝露于空气中，金属层302表面由于自然氧化会 生成一薄层金属氧化物。如图8所示，对所述具有金属层302的半导体基底300进行氨气等离子 体表面预处理。将所述半导体基底300送入真空的工艺腔，向腔室中通入氨 气，调节腔室温度及射频源功率，使所述氨气电离，生成氨气等离子体。氨 气等离子体在电场的作用下对半导体基底300表面进行轰击。高能的氨气等 离子体轰击到金属层表面可打破金属氧化物中金属和氧之间的化学键，将所 述金属氧化物层除去，使底层的金属表面露出。同时通过氨气等离子体表面 预处理也可以将半导体基底300表面由于曝露于外部环境而吸收的污染物、 水气去除，有利于半导体基底300表面和后续工艺中沉积的其它膜层之间的 粘附。上述过程中，所述氨气等离子体射频源功率为300至1000瓦，氨气的 流量为800至1200sccm。氨气等离子体表面预处理的的时间为10至30s,所 述工艺腔的真空度为3至6托。如图9所示，在所述半导体基底300表面上沉积第一介质层304。所述沉 积包括物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、高密度 等离子体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。沉积第一介质层304的反应 气体包括TMS、氨气、硅烷、TEOS、臭氧、二氯二氢硅、氧化二氮、氮气、氧 气中的一种或其组合。所述沉积的第一介质层304厚度为300至800埃。所述第一介质层304的沉积可以和前述氨气等离子体表面预处理在同一 个腔室中进行，即完成氨气等离子体表面预处理后可原位(in situ)沉积第 一介质层304。以所述第一介质层304为掺氮碳化硅(NDC)为例，当所述半 导体基底300完成氨气等离子体表面处理后，停止向工艺腔供给用于氨气等
离子体表面处理的氨气，向工艺腔中通入生成第一介质层NDC的反应气体例 如氨气和三甲基曱硅烷基(TMS)，同时调节射频源能量和腔室温度，使得反应 气体的化学键打破并重新组合成碳化硅附着在半导体基底300表面。上述过 程中，所述TMS的流量为300至400sccm，氨气的流量为600至800sccm,反 应室温度可以为100至IOO(TC,压力为2至8托，本实施例中温度为35(TC, 压力为3.7*托，射频源功率为400至1500W，反应时间约为10至30秒。所述氨气等离子体表面预处理和原位沉积第一介质层304过程的详细步 骤如下打开腔室，将所述半导体基底300送入工艺腔，调节腔室温度为350 。C，环境的压力为3至6托；对所述半导体基底300进行氨气等离子体表面 预处理调节射频源功率为300至1000瓦，温度为100至1000度，向工艺 腔中通入氨气，氨气的流量为800至1200sccm,保持环境的压力为3至6托， 氨气等离子体表面处理的时间为10至30秒；减小氨气流量至30至60sccra， 调节射频源功率为800W + /-100W;向反应腔室中通入TMS和氨气，TMS的流 量为300至400sccm,氨气的流量为600至800sccm，保持腔室温度，提高射 频源功率为400至1500W,所述TMS和氨气反应生成碳化硅，部分氮气被束缚 在所述碳化硅膜层中形成含氮的碳化硅，氮气有助于抑止所述氮化硅膜层中 载流子迁移，增加介电常数，减小漏电流；完成沉积后，停止向工艺腔供应 TMS和氨气，通过真空泵装置将反应的副产物抽走。如图10所示，在所第一介质层304上沉积第二介质层306。其沉积的方 式可以是物理气相沉积、化学气相沉积中的一种。所述第二介质层306可以 是黑钻石(black diamond, BD)、氟硅玻璃、磷硅玻璃、硼珪玻璃、硼磷硅玻 璃、氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种或其组合。本实施例中所述介质层306 为BD。如图11所示，在所述第二介质层306上旋涂抗反射层308和光刻胶310, 并图形化形成连接孔图案312。如图12所示，通过刻蚀将所述连接孔图案312 转移到所述第二介质层306中形成连接孔312a,刻蚀至露出所述第一介质层 304表面为止。所述第一介质层304做为形成连接孔312a的刻蚀终点检测层， 能够保护半导体基底300表面不受损伤。如图13所示，通过氧气等离子(02 plasmar )灰化(ashing)移除所述光刻胶310和抗反射层308。如图14所示，在所述连接孔312a中和第二介质层306上形成一旋涂层
314。所述旋涂层314材料可以是DUO (Deep Ultraviolet Light Absorbing Oxide) 或其它抗反射材料，所述旋涂层314作为后续工艺中形成沟槽时的牺牲层， 可以保护连接孔312a底部不受刻蚀损伤。如图15所示，在所述旋涂层314 上旋涂光刻胶316并形成沟槽图案317。如图16所示，通过刻蚀将所述光刻 胶316中的沟槽图案317转移到所述第二介质层306中形成沟槽317a。如图 17所示，通过灰化及化学清洗去除所述光刻胶316和旋涂层314。刻蚀将所 述连接孔312a底部的第一介质层304移除，露出所述半导体基底300中的金 属层302的表面。如图18所示，在所述连接孔312a和沟槽317a中填充金属 材料，例如铜，形成连接插塞312b和金属连线317b。本发明方法在对半导体基底进行氨气等离子体表面预处理之后无需用氦 等离子体进行表面处理，直接进行第一介质层材料的沉积。这避免了氦气等 离子体气体对半导体基底表面的损伤和破还，从而避免了引起金属层表面电流过大的问题，延长了器件的寿命提高了器件的稳定性。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和 修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
权利要求
1、一种介质层的形成方法，包括提供一半导体基底，在所述半导体基底中形成有金属层；对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面预处理；在所述半导体基底表面沉积介质层。
2、 如权利要求]所述的介质层的形成方法，其特征在于所述金属层材 质包括铜、铅、鴒、钛、钽、钴、金、银中的一种或其组合。
3、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述氨气的流 量为800至1200sccm。
4、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述氨气等离 子体环境射频源功率为300至1000瓦。
5、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述氨气等离 子体环境的压力为3至6托，温度为100至1000度。
6、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述氨气等离 子体表面预处理的时间为10至30秒。
7、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述沉积包括 物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、高密度等离子 体化学气相沉积、原子层沉积中的一种。
8、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述沉积介质 层的反应气体为三曱基曱硅烷基、氨气、硅烷、TEOS、臭氧、二氯二氢硅、 氧化二氮、氮气、氧气中的一种或其组合。
9、 如权利要求1所述的介质层的形成方法，其特征在于所述沉积介质 层的温度为100至1000度，压力为2至8托，射频源功率为400 ~ 1500瓦。
10、 一种介质层的形成方法，包括 提供一半导体基底，在所述半导体基底中形成有金属层； 对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面预处理并原位在所述半导体基底表面沉积介质层。
全文摘要
一种介质层的形成方法，包括提供一半导体基底，在所述半导体基底中形成有金属层；对所述半导体基底表面进行氨气等离子体表面预处理；在所述半导体基底表面沉积介质层。本发明介质层形成的方法不会引起下层金属表面电迁移过大的问题。
文档编号H01L21/02GK101154584SQ200610116849
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月30日 优先权日2006年9月30日
发明者杨小明, 汪钉崇, 蓝受龙 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司